南京河西地区软土快速固化剂的研制

沈 正，仲 达，滕世明

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

南京河西地区软土快速固化剂的研制

沈 正，仲 达，滕世明

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

软土地基的快速处理是缩短道路施工工期，确保施工质量的有效措施。该研究结合南京河西地区长江漫滩软土，研制一种高效经济的软土固化剂。选择主固化材料水泥与辅助固化材料电石渣、石膏、三乙醇胺、氢氧化钠和聚丙烯纤维，通过配比设计对南京河西地区软土分别进行固化试验。通过无侧限抗压强度试验，确定固化土的强度特性，最终得出快速固化剂的最终配比为：9%水泥，4%电石渣，2%石膏，2%氢氧化钠。

软土；快速固化；无侧限抗压强度；最佳配比

0 引言

南京河西地区位于长江东侧,区内地表水系发育,地势宽广低平,地面高程在5.21～7.70 m之间，地貌单元上,属于长江漫滩区,其新近沉积的漫滩软土极为软弱,且分布极不均匀。这种软土的存在对河西地区的开发将产生不良的工程地质作用,尤其是修筑市政道路。传统软基处理方法包括堆载预压、真空预压、砂桩、碎石桩等排水固结方法[1-3]，但采用传统软基处理方法需要经历较长时间，极大地延缓了工程的施工进度，因此，寻求快速有效的软土地基的处理方法是目前市政工程建设领域亟需解决的难题，而研制高性能的软土固化剂是解决上述难题的一个主要途径之一。

本研究首先对固化剂进行选择，通过室内力学试验，对固化材料加固软土效果进行对比和筛选，对南京河西地区长江漫滩相软土开展固化的早期强度试验研究，获得提高固化土早期强度的固化剂。

1 固化剂的选择

在现阶段的软土固化剂中，应用最广泛的一种固化剂就是水泥。水泥通过水泥与土之间发生的各种物理化学反应而有效的提高了软土的早期强度，达到快速固化的效果，这些反应包括水化反应和硬化反应。水泥经过与土体中的水发生水化反应形成凝胶，促进了土壤颗粒之间的连接，包容了有害物质。同时，水泥与水调和时，随着时间推移会逐渐失去可塑性，产生硬化效果，促使土体构成一个坚固的整体，增强土体强度。水化反应完成后，土粒中的颗粒还会与水化反应产物形成相互作用，促进软土力学性质的提高。

经过研究发现，软土中的有机物质对水泥固化土的早期强度形成有非常大的影响，包括阻碍水泥的水化反应以及影响土粒之间的相互作用。为了解决这一问题，保证水泥水化反应的进行，国内的一些学者寻找到了一些解决方法，如减薄黏土双电层厚度，提高土壤pH值等[4]。根据上述理论，本试验中先考虑掺入石灰粉，石灰中所含的钙离子可以和土体中的钾离子和钠离子发生离子交换，从而达到减薄黏土双电层厚度的目的。同时由于本试验研制的固化剂需要在短时间能达到固化要求，可以考虑采用电石渣代替石灰，电石渣可以消耗软土中大量水分，降低软土的最优含水量，提高软土的强度。

除了电石渣外，还可以考虑在软土中添加膨胀成分生石膏（CaSO4·H2O），提供足够的膨胀性水化物钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O）使固体体积膨胀增加94%，填充土颗粒间的孔隙和挤压填充土团粒内的孔隙，由于土体间的孔隙被填满，土壤的力学性能显著提高，因此能够迅速提高固化土的早期强度。

同时考虑在水泥土中掺入早强剂，可以提高水泥土的早期强度。三乙醇胺是目前工程上常用的早强剂。三乙醇胺的使用可以改善和促进了水泥水化及凝结硬化。三乙醇胺的早强作用在于其能促进C3A的水化。在C3A-2CaSO4-2H2O体系中,它能加快钙矾石的生成，钙矾石能够有效的填充土壤之间的空隙，同时促进水泥等固化剂与土壤以及土体之间的各种物理化学反应，有利于水泥土的早期强度发展[5]。

除了三乙醇胺之外，氢氧化钠也是一种常用的早强剂，氢氧化钠的加入可以中和土壤中的酸，提高土壤中的pH值，保证反应中产生的氢氧化钙能够充满土壤缝隙中，保证了水泥的水化反应不会受到影响，从而提高了固化土的早期强度。

最后，有研究表明纤维能够显著提高固化土的力学性能和抗裂能力[6]。纤维可以与水泥水化物形成空间网状结构，有效的约束土粒变形。因此本试验考虑在固化剂中加入聚丙烯纤维。聚丙烯纤维是以聚丙烯为主要材料，经过特殊工艺加工而成的纤维材料。具有很好的环保效应，同时有很高的抗变形能力，对固化土早期强度的形成起到了一定促进作用。

根据上述分析，本次试验中需要验证的固化剂成分初步确定为主剂水泥，辅助添加剂电石渣、石灰粉、石膏、三乙醇胺、氢氧化钠、聚丙烯纤维。在上述成分中选择固化效果最好的组合以及配比。

2 试验材料与方案

固化剂的主要材料为水泥、电石渣、石膏，强度激发剂为三乙醇胺、氢氧化钠、硫酸钠，通过无侧限抗压强度试验来测定软土的力学性质以及确定加入固化剂后的软土早期强度，寻找出一种最适合的复合型固化剂。

取自南京河西地区典型土层淤泥质粉质粘土作为原料土，水泥、电石渣、石膏、聚丙烯纤维作为主要固化材料辅以三乙醇胺、氢氧化钠、硫酸钠作为强度激发剂，通过无侧限抗压强度试验，获取固化土早期强度，研究不同固化材料对淤泥质软土快速固化效果，尝试配制一种适合于提高南京河西地区软土早期固化强度的经济复合型固化剂。

2.1 软土物理指标

试验土样取自南京河西地区典型土层，为达到最佳的试验效果，试验中采用的土样均为勘察钻探所取得的原状土样，试验取土深度为4～5 m，基本物理特性指标见表1。

2.2 软土固化剂配方的研制

2.2.1 选择固化剂组成成分

首先对一些常用的主成分固化剂进行单一固化材料的试验，为辅助成分的固化材料的挑选提供参考依据。在本试验中，除了水泥与电石渣外，还挑选了环氧树脂和增强固化剂进行对比试验，测定其不同龄期下（1 d，3 d，7 d）的无侧限抗压强度，从而保证了固化剂主成分的固化效率为最优，试验结果见图1。

图1 不同龄期下各类固化剂无侧限抗压强度

从图1中可以看出，水泥和电石渣的固化效果明显高于其他两种固化剂，因此本试验的固化剂主要材料确定为水泥和电石渣，而从3 d和7 d的固化效果来看，水泥固化软土的无侧限抗压强度明显优于电石渣。因此可以看出，水泥在早期固化过程中占主导地位。进一步进行多种固化剂组合试验，试验结果见图2。

图2单一固化剂和组合固化剂固化效果对比图

图2 中可以看出，当水泥与电石渣混合，再加入石膏作为辅助固化剂后，固化效果明显好于两种材料单独做固化剂，再加入三乙醇胺并将电石渣替换为石灰粉作对比试验，试验结果见图3。

表1 土样的基本物性指标

从图3中看出，三乙醇胺作为常用的工业早强剂，加入后对水泥的早期强度有明显提升，而当将电石渣替换为石灰粉时，软土的早期强度明显降低，因此初步确定本试验固化剂的组成为水泥，电石渣，石膏，三乙醇胺。再在这四种固化剂成分中变化每种成分的比例，进行初步的对比试验，观察每种成分的变化对固化效果的影响，见图4。

图4 不同比例的四种固化剂成分固化效果对比图

从图4可以看出，水泥的含量与软土的无侧限抗压强度完全呈现正相关的关系，因此在之后的试验中可以适当选择增加水泥用量。随着电石渣的含量的增加，软土的7 d内无侧限抗压强度并没有持续上升，而是在4%左右时达到了峰值，因此在之后的试验中，电石渣的含量可以控制在4%左右。三乙醇胺对试验结果的影响不是很明显，需要在之后的试验中继续研究其最佳含量的范围。

2.2.2 确定固化剂各成分比例

（1）确定水泥含量

由以上试验可知，水泥作为软土使用最广泛的固化剂，对软土的早期强度起到非常重要的主导地位，因此优先确定水泥的最佳含量。为了反映水泥的掺入量对软土固化效果的影响，分别取水泥掺入量为3%，5%，7%，9%，12%，测量其不同龄期（1 d，3 d，7 d）下的无侧限抗压强度，试验结果见图5。

从图5中可以明显看出，水泥含量和无侧限抗压强度成正相关关系，而当水泥含量是9%和12%时，无侧限抗压强度的上升并不是十分明显，因此考虑到经济效应，取水泥含量为9%为最佳含量。

图5 水泥掺入量对不同龄期下固化土无侧限抗压强度影响

（2）确定石膏含量

掺入石膏后，会迅速产生膨胀性水化物钙矾石，填充土粒之间的空隙从而迅速的提高软土的早期强度。为了确定石膏的最佳含量，在9%水泥基础上，添加不同含量石膏，确定两种固化剂的最佳组成比例，试验结果见图6。

图6 石膏掺入量对不同龄期下固化土无侧限抗压强度的影响

从图6中可以看出，石膏的掺入对软土的无侧限抗压强度有一定的提升，但随着石膏掺入量的变化，软土的无侧限抗压强度变化不明显。可以看出，在一定范围内，随着石膏含量的增加，软土的无侧限抗压强度也随着提高，当石膏含量在2%时，软土的无侧限抗压强度达到峰值，超过2%后，随着石膏掺入量的增加，软土的无侧限抗压强度反而降低。说明石膏含量超过一定数值后会产生过多的膨胀性物质，对软土的早期强度起反作用。综上所述，本试验取石膏掺入量为2%为最佳掺入量。

（3）确定电石渣含量

电石渣作为软土固化剂，吸收了软土中的大量水分，能够快速提升软土的早期强度。为了确定电石渣的掺入量，在水泥和石膏的基础上，掺入2%，4%，6%，8%的电石渣，测定其在不同龄期下的无侧限抗压强度，反应电石渣含量对软土早期强度的影响规律，试验结果见图7。

图7 电石渣掺入量对不同龄期下固化土无侧限抗压强度的影响

从图7中可以看出，随着龄期的增长，加入电石渣后固化土的无侧限抗压强度都不断提升。而在同一龄期的对比中，当电石渣掺量达到4%时，固化土的无侧限抗压强度达到峰值，之后再增加电石渣含量，固化土的无侧限抗压强度反而下降。因此得出电石渣的最佳含量取4%。根据上述现象分析，电石渣加入软土中，会与软土中的水发生反应，生成大量氢氧化钙，加强了土体颗粒之间的联接，但是如果氢氧化钙含量过多，就会产生膨胀作用，反而导致土体的强度降低。

（4）早强剂的对比试验（三乙醇胺，氢氧化钠，硫酸钠）

为了保证早强剂的最优选择，本试验选取了另外两种常用早强剂：氢氧化钠和硫酸钠，进行与三乙醇胺的对比试验，分别测量不同龄期下加入这三种早强剂的固化土的无侧限抗压强度，试验结果见图8。

图8 三种早强剂对不同龄期下固化土无侧限抗压强度的影响

从图8中可以看出，加入硫酸钠后固化土的早期强度反而没有不加入早强剂时的早期强度高，因此硫酸钠对固化土的早期强度形成有反作用。加入三乙醇胺后，固化土的1 d强度有显著提升，而3 d和7 d时的强度几乎没有变化。只有氢氧化钠对固化土的早期强度，尤其是1 d和3 d的强度有非常明显的提升作用，因此更改原配方，选择氢氧化钠取代三乙醇胺作为固化剂的成分之一。

（5）聚丙烯纤维对固化效果的影响

试验表明，聚丙烯纤维能够显著提高固化土的力学性能和抗裂能力，因此本试验中尝试在原因固化剂成分的基础上加入聚丙烯纤维，测量其在不同龄期下的无侧限抗压强度。由于试验时间原因，本试验与早强剂的对比试验同时进行，因此早强剂的选择仍然为三乙醇胺，但并不影响试验得出聚丙烯纤维对固化土早期强度形成的影响规律。试验结果见图9。

图9 聚丙烯纤维掺入量对不同龄期下固化土无侧限抗压强度的影响

从图9中可以看出随着聚丙烯纤维含量增加，固化土早期强度一开始呈现上升趋势，在含量为0.6%时达到峰值，随后呈现下降趋势。而当聚丙烯纤维含量为0.3%和0.9%时，固化土早期强度反而不如不加聚丙烯纤维时的早期强度，因此确定聚丙烯纤维的含量为0.6%，此时对固化土的早期强度有明显提升。

（6）28 d龄期固化效果对比

在确定固化剂成分后，进行28d固化试验，确定其最终的固化效果，观察其无侧限抗压强度随时间的变化情况。同时用不同固化剂配方进行对比试验，试验结果见图10。

图10 28 d龄期固化效果对比图

由图10中可以看出，前7 d土样的无侧限抗压强度增强较为明显，后期则较为平缓。因此可以看出，本配方的快速固化效果较为优良。而通过与初始的水泥+碳化钙+石膏+三乙醇胺的固化配方的28 d强度对比发现改良后的配方固化效果优于之前的配方，因此确定该配方为试验得出的最优配方。

3 结论

为了解决南京河西地区软土地基的处理问题，降低施工成本，缩短施工工期，采用固化剂快速固化软土的方法，对掺入快速固化剂软土的早期强度进行测试，研制出快速固化剂的最佳配方，研究的主要结论如下：

（1）分别采用单掺水泥、单掺电石渣、单掺环氧树脂、单掺增强固化剂、混合掺入水泥+石膏+电石渣、混合掺入水泥+石膏+电石渣+三乙醇胺、混合掺入掺水泥+石膏+石灰粉+三乙醇胺7种方式对南京河西地区软土进行快速固化试验，得出各种固化剂对软土早期强度形成的影响，初步确定了软土快速固化剂的组成成分；

（2）通过变化各种固化剂的掺入量，分析了各种固化剂掺入量对软土早期强度形成的影响，得出了水泥、电石渣、石膏、氢氧化钠和聚丙烯纤维的最佳掺入量；

（3）得出了南京河西地区软土的最优的快速固化剂配方，其组成成分为：主固化剂9%水泥，外加剂4%电石渣，2%石膏，2%氢氧化钠，0.6%聚丙烯纤维。

[1]何广迎.加强市政道路建设中软土地基加固处理方法的探讨[J].城市建筑,2013(12):249.

[2]刘热强,蒋建清.海相软土地基的塑料排水板和袋装砂井联合堆载预压加固方法[J].公路,2015(4):42-49.

[3]李素娟.强夯和强夯置换在高速公路软土地基加固中的应用[J].交通科技,2014(2):93-95.

[4]郭印,徐日庆,邵允铖.淤泥质土的固化机理研究[J].浙江大学学报:工学版,2008,42(6):1071-1075.

[5]熊大玉,王小虹.混凝土外加剂[M].北京:化学工业出版社,2002.

[6]唐朝生,顾凯.聚丙烯纤维和水泥加固软土的强度特性[J].土木工程学报,2011(s2):5-8.

TU 447

A

1009-7716（2017）10-0166-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.051

2017-06-27

住房和城乡建设部科学技术项目（2014-K4-09）

沈正（1975-），男，江苏南京人，副教授，从事软土地基处理研究工作。